汽車用LNG水浴式汽化器的研究

徐鋒

（張家港富瑞深冷科技有限公司，江蘇 張家港 215637）

天燃氣汽車作為新型的清潔能源汽車，為緩解我國環(huán)保問題和能耗問題產生了巨大作用,也是受到我國政府重點扶持的一項行業(yè)。從當前發(fā)展趨勢來看,大中城市的公共汽車將逐漸向天燃氣和潔凈燃油公交車轉型,天燃氣將是未來公共交通運輸業(yè)具備競爭性的能源。在卡車領域,盡管近期由于各種原因而造成燃氣卡車的市場銷售減少,但從政策和環(huán)境壓力的方面去考量, 國家一直支持新能源汽車和清潔能源汽車并重發(fā)展，天然氣汽車也在其中。從全生命周期來看，天然氣汽車經濟性很好，也具有足夠的市場競爭能力，發(fā)展空間還很大。我國政府應該會繼續(xù)對燃氣卡車的生產技術和補貼政策予以更大的扶持。天然氣汽車的燃料系統(tǒng)是由LNG車用瓶、LNG水浴式汽化器、車用瓶閥門系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)組成。其中LNG水浴式汽化器作為天然氣汽車燃料系統(tǒng)的核心部件，氣化量過大，會造成汽車燃氣消耗量過大，車輛運行效率降低，運行經濟成本增高；氣化量過小，則會造成車輛動力不穩(wěn)，嚴重則會造成供氣不足，汽車不能正常行駛。因此，一個合適的LNG水浴式汽化器對天然氣汽車至關重要。本文以LNG水浴式汽化器作為研究對象，提供一種計算方法，并通過試驗數(shù)據來驗證計算方法的可行性。

1 LNG水浴式汽化器的結構及其工作原理

LNG水浴式汽化器主要是利用天汽車發(fā)動機循環(huán)冷卻水把液化天然氣進行加熱汽化，使天然氣達到滿足發(fā)動機使用溫度、流量要求。其結構由不銹鋼殼體、內部盛裝發(fā)動機循環(huán)冷卻水、螺旋盤管、進出水口、LNG進液口、NG出氣口組成成。工作流程為：高溫冷卻水通過汽化器進水口N3、出水口N4循環(huán)流入、流出汽化器的殼體，LNG經過進液口N1進入螺旋盤管，經過高溫冷卻水吸熱后氣化，從出氣口N2流出，供發(fā)動機燃燒。發(fā)動機循環(huán)冷卻水的流向和LNG進液方向一致。

圖1 LNG水浴式汽化器結構

表1 天然氣物理特性參數(shù)（1.0MPa下）

2 LNG水浴式汽化器的計算

（1）計算條件及方法：國內主流天然氣發(fā)動機的進氣壓力為1.0MPa（表壓），需求的進氣量為V=120Nm3/h；天然氣發(fā)動機高溫冷卻水進口溫度≥90°C，出口溫度≤70°C，氣化后NG溫度10°C；汽化器內部螺旋管規(guī)格選用不銹鋼管10×1mm，使用雙螺旋管，水浴式汽化器的殼體規(guī)格選用159×3mm不銹鋼焊管。

計算思路：LNG水浴式汽化器主要是通過內部螺旋管吸收發(fā)動機循環(huán)水的熱量，加速LNG的氣化。根據相關標準所以只需計算出螺旋管的長度，就能設計出水浴式汽化器。而天然氣發(fā)動機的進出水的水溫是穩(wěn)定的，氣化后的壓力也是穩(wěn)定的，先對LNG在在螺旋管內部的氣化過程進行分析計算，最終可得到汽化器內部螺旋管的長度。

（2）螺旋管內天然氣吸收熱量的計算：當LNG飽和液體進入汽化器螺旋管內的加熱段，LNG開始沸騰，剛開始的流動狀態(tài)是泡狀流。天然氣氣泡沿螺旋管流動時逐漸聚積，泡狀流會慢慢演變?yōu)橹?。泡狀流和柱塞流這兩個區(qū)域稱為飽和核態(tài)沸騰區(qū)，在該段螺旋管區(qū)域內，強制對流和核態(tài)沸騰效應將會影響傳熱率的大小。飽和核態(tài)沸騰區(qū)總的傳熱率等于對流傳熱率和僅出現(xiàn)核態(tài)沸騰時傳熱率的線性總和。隨著兩相流繼續(xù)沿螺旋管內流動，更多的熱量加入到液體中，螺旋管內的流動形式將變?yōu)榄h(huán)狀流。這個區(qū)域稱為強制對流蒸發(fā)區(qū)。傳熱機制包括對流和通過加熱螺旋管道表面液體的熱傳導，并伴隨著液—氣表面的蒸發(fā)。當LNG進一步沿螺旋管內流動時，液膜體積減小，直到液膜完全分解成“干”點流動。這個區(qū)域稱為強制對流膜態(tài)沸騰區(qū)（或缺液區(qū)）。氣流夾帶著LNG液滴，其余兩相流形式與霧狀流動對應。通常，膜態(tài)沸騰區(qū)的傳熱效率比較低，或者說，在熱流密度一定的情況下，管道壁面和流體間的溫差將較大。

綜上所述，LNG在螺旋管內強制對流分為以下幾個階段，即飽和核態(tài)沸騰區(qū)、強制對流蒸發(fā)區(qū)、強制對流膜態(tài)沸騰區(qū)。因此，LNG在螺旋管內的計算可以分成三段：

圖2 LNG在螺旋管內部氣化過程狀態(tài)示意圖

第一段：從1atm沸點下變?yōu)楣ぷ鲏毫ο碌囊后w（對應飽和核態(tài)沸騰區(qū)）。

第二段：工作壓力下的液體變成工作壓力下的蒸汽變成50%（假定）蒸汽（對應強制對流蒸發(fā)區(qū)）。

第三段：從工作壓力下的蒸汽變成10°C的氣體（對應強制對流膜態(tài)沸騰區(qū)）。

式中，Q1為飽和核態(tài)沸騰區(qū)吸收的熱量，Q2為強制對流蒸發(fā)區(qū)吸收的熱量，Q3為膜態(tài)沸騰區(qū)吸收的熱量

V為發(fā)動機需求的進氣量，Nm3/h，ρ為標準狀態(tài)下天然氣的密度，kg/m3。

（3）螺旋管換熱系數(shù)計算：

第一段：飽和核態(tài)沸騰區(qū)。

第二段：強制對流蒸發(fā)區(qū)。

第三段：強制對流膜態(tài)沸騰區(qū)。

（4）螺旋管長度計算：

因為汽化器內部采用的是雙螺旋管，則單根螺旋管長度為4.25m。

3 LNG水浴式汽化器的試驗驗證

根據計算出的單根盤管長度4.25m，采用雙螺旋管，汽化器的殼體規(guī)格選用159×3mm，利用這些條件就可以設計制作汽化器。制作出的汽化器可通過下面的試驗來進行驗證。驗證思路：因為汽化器的氣化量和高溫冷卻水的水溫有關，水溫的變化會導致氣化量的變化，因此，需分下面幾種情況進行綜合驗證。

（1）驗證計算條件下循環(huán)水進口溫度90℃時汽化器的氣化量。（2）驗證循環(huán)水進口溫度80℃時汽化器的氣化量。（3）驗證循環(huán)水進口溫度70℃時汽化器的氣化量。

試驗步驟：①將水箱內加滿水。②將氣瓶內充滿LNG。③接通電控箱電源，按試驗要求設置溫控。④打開“加熱1”“加熱2”，等待水箱內溫度達到要求。⑤打開“水泵開關”。⑥調節(jié)閥門，觀察水表讀數(shù)并計算水流量，調節(jié)流量符合試驗要求的規(guī)定。⑦將氣瓶內壓力調整到1.0MPa，打開增壓回路維持穩(wěn)定。⑧緩慢打開氣瓶出液閥。⑨調節(jié)流量計后閥門開度，使流量計處壓力穩(wěn)定在1MPa左右。

圖3 水浴式汽化器試驗流程圖

試驗結果：

第一，由圖4可得知，隨著發(fā)動機轉速的變高、水流量的變大，氣化器的氣化量逐步增高。一般發(fā)動機上的水流量最大可在18L/Min左右，當水流量穩(wěn)定在19L/Min后，循環(huán)水溫度在70℃時，汽化器的氣化量在110Nm3/h；循環(huán)水溫度在80℃時，汽化器氣化量在120Nm3/h；循環(huán)水溫度在90℃時，汽化器氣化量在130Nm3/h。第二，由曲線圖可得知，在設計條件循環(huán)水溫度在90℃時，與理論氣化量120Nm3/h有10Nm3/h的偏差，考慮到理論計算是偏保守的，考慮到汽車滿載和爬坡的情況下，發(fā)動機燃氣需求量大，氣化器的實際氣化量是要大于理論氣化量才合適。以濰柴WP13NG460發(fā)動機為例，在額定轉速2200rpm下，燃氣消耗量約為0.02389kg/s，折合氣化量為120Nm3/h左右，所以，試驗結果和計算結果都在合理范圍內。第三，由曲線圖可得知，發(fā)動機循環(huán)水流量的對汽化器的氣化量有很大影響。水流量和發(fā)動機轉速有關，發(fā)動機在剛啟動的時候，轉速較低，水流量還沒上來，所以汽化器氣化量未達到預期要求。因此，還需研究燃氣發(fā)動機各個轉速下的燃氣消耗量，看設計的汽化器是否滿足實際需求。當燃氣發(fā)動機在不同轉速下運轉時，發(fā)動機所需要的天然氣進氣量的是不同的，因此，應時刻注意在汽車行駛過程中循環(huán)水流量變化，特別是在發(fā)動機最高轉速時，此時，汽化器也達到最大工作負荷狀態(tài)。其次，當汽車冷啟動時，發(fā)動機剛剛開始運轉，汽化器殼體內的發(fā)動機循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度相同，循環(huán)水的溫度需要一定的時間上升至正常溫度值，因此，在LNG汽車在剛啟動時，應適當保持發(fā)動機在怠速或低速狀態(tài)下運轉一段時間來提高汽化器內部循環(huán)水的溫度，確保汽化器內螺旋盤管內部的LNG能夠充分汽化。同時，來自前端LNG氣瓶的壓力需保持在1MPa穩(wěn)定的壓力范圍內，才能保證汽化器氣化后有穩(wěn)定的壓力輸出。如果前端LNG氣瓶內部壓力過低，汽化器氣化后壓力也會過低，導致發(fā)動機無法正常工作。LNG氣瓶的壓力可通過氣瓶閥門系統(tǒng)的閥門控制，需時刻關注好氣瓶的壓力在是否在正常范圍內?，F(xiàn)國內的LNG氣瓶都配有自增壓系統(tǒng)，壓力不足時，可打開自增壓使氣瓶壓力增至正常壓力。

圖4 循環(huán)水進口溫度和氣化量曲線圖

4 結語

為實現(xiàn)對發(fā)動機穩(wěn)定的供氣，這就需要瓶內的充液壓力、匹配的汽化器氣化速度和汽化溫度均要與發(fā)動機的工作要求相匹配，否則，將直接影響發(fā)動機的耗氣量和工作的可靠性。本文針對LNG水浴式汽化器，利用高等傳熱學理論，對LNG在螺旋管內部氣化狀態(tài)的分析，計算出了水浴式汽化器內部螺旋管的長度，并設計制作出了汽化器。又通過水浴式汽化器的試驗驗證了汽化器的實際氣化量，最終驗證了該設計方法是可行的。本文分析計算的方法為汽車用LNG水浴式汽化器的設計提供了參考，也為燃氣發(fā)動機匹配合適的汽化器提供了數(shù)據支持。